Lâmpadas LED: baixa da eficiência ainda impede uso em massa
- John Markoff
Em uma fábrica recém inaugurada em Fremont, Califórnia, Eric Kim, presidente da Soraa Inc., embala uma lâmpada do tamanho da palma da mão, que ele chama de "LED 2.0". A luz possui um sistema de resfriamento circular do tipo "floco de neve" em torno uma lente que emite uma luz branca e brilhante. Mas ela também irradia um mistério - e uma controvérsia duradoura.
Nos últimos anos, os econômicos diodos emissores de luz (LED) apareceram súbita e inesperadamente em quase todos os locais em que é necessária energia de baixo consumo. Eles fornecem iluminação de fundo de tela para celulares, smartphones e laptops, e também às lanternas dos capacetes de excursionistas, por exemplo. Contudo, em particular nos Estados Unidos, a lâmpada LED não se tornou popular na iluminação residencial, que ainda é reduto da lâmpada incandescente - que até hoje não é muito mais eficiente do que quando foi inventada por Thomas Edison, em 1879.
O problema é o que se chama baixa da eficiência. A LED funciona de forma mais eficaz com correntes fracas. Quando se muda a corrente para chegar aos níveis necessários para a iluminação de um cômodo, a eficiência diminui notadamente. A luz não fica fraca, mas, quando a eletricidade é aumentada, não se obtém mais luz - por isso, a eficiência diminui. O problema impossibilitou as lâmpadas LED de serem tão econômicas quanto as lâmpadas residenciais incandescentes ou fluorescentes.
"A baixa da eficiência é um dos mais graves e interessantes problemas e controvérsias da ciência e da engenharia", afirmou E. Fred Schubert, professor de engenharia elétrica do Instituto Politécnico Rensselaer, em Troy, Nova York. "Considerando que a LED será a iluminação mais utilizada do futuro", acrescentou, "é importante para a indústria e para a sociedade que a diminuição da eficiência seja compreendida e solucionada".
Os LEDs - ou diodos emissores de luz - modernos são chips semicondutores que produzem luz quando recebem eletricidade. As lâmpadas LED geralmente usam menos de 20% da energia exigida por lâmpadas incandescentes comparáveis e somente pouco menos da metade da energia necessária para as fluorescentes compactas.
Os diodos permitem que a corrente circule facilmente em uma direção. Portadores de carga - elétrons - passam por uma junção no interior do chip e, quando um elétron encontra um orifício, o seu nível de energia diminui, e nesse processo ele emite energia na forma de um fóton - luz.
Isso ocorre na maior parte das vezes, mas não em todas. Além disso, explicar por que o fóton é emitido em alguns casos, mas não em outros, consiste em um debate teórico contínuo entre físicos e engenheiros elétricos. A pergunta é a seguinte: o que faz com que os fótons não sejam liberados e causa a baixa da eficiência? É exatamente a respeito disso que os físicos não concordam.
Pronunciamentos feitos em fevereiro pela Cree, uma das principais fabricantes de LEDs dos Estados Unidos, e pela Soraa, startup que produz LEDs de última geração, indicam a ocorrência de progressos significativos na eficiência e na prevenção da baixa de energia.
A LED azul de alto brilho - do tipo usado atualmente, porém caro demais para uso generalizado - foi inventada em 1993 por Shuji Nakamura, físico japonês e um dos fundadores da Soraa. Em fevereiro, a empresa anunciou um avanço obtido em contornar a baixa da eficiência da LED. Contudo, a empresa mantém os detalhes da nova tecnologia confidenciais.
Apesar do sigilo da Soraa, um grupo de pesquisadores da Universidade da Califórnia, campus de Santa Barbara - onde Nakamura assumiu um cargo acadêmico após deixar o Japão em 1999, e onde também lecionam dois cofundadores da empresa, Steve DenBaars e Jim Speck - publicou em abril o relatório de uma pesquisa na qual demonstra ter descoberto evidências de que a baixa da eficiência da LED pode ser explicada por um processo conhecido como recombinação de Auger. O efeito Auger foi descoberto em 1922 por dois físicos europeus e descreve um processo subatômico no qual um elétron desloca outro, mas não emite luz.
Contudo, o debate não terminou. No ano passado, outros dois grupos propuseram teorias concorrentes que sugeriam que a recombinação de Auger não contribui ou contribui muito pouco com a baixa da eficiência.
Outras teorias sugerem um processo chamado perda de portadores, no qual, sob correntes altas, os portadores começam a vazar de áreas de alto desempenho, ou ainda o processo chamado de não associação de portador, no qual os elétrons simplesmente não conseguem encontrar um orifício correlacionado sob correntes elétricas altas porque são retirados da região ativa na qual elétrons e orifícios deveriam se recombinar e emitir luz.
O engenheiro elétrico Mike Krames, diretor de tecnologia da Soraa, foi um dos pioneiros da teoria da recombinação de Auger na empresa em que trabalhou anteriormente, a Lumileds. "Em minha opinião, o único modelo consistente com todos os dados experimentais é a recombinação de Auger", afirmou.
Um cientista familiarizado com a tecnologia da empresa afirmou que a vantagem da Soraa resulta da mudança de orientação do poço quântico no qual acontecem as interações que geram luminescência. Os fortes campos elétricos que se formam ao longo do plano da estrutura de cristal interferem no processo que normalmente gera os fótons. Ao inclinar a estrutura para fora desse plano é possível minimizar o efeito da baixa, afirmou.
Do ponto de vista de Krames, a batalha entre teóricos pode não ter terminado, mas a guerra foi ganha. "O debate continua para outras pessoas, mas não para mim", afirmou. "Isso não muda o fato de todas as evidências apontarem nesse sentido, o que conduz às estratégias que adotamos, o que conduz a melhores dispositivos."
